天津市地源热泵遥测监控系统的研究与应用

薛增骁，赵莉莉

天津市地源热泵遥测监控系统的研究与应用

薛增骁，赵莉莉

（天津市水文水资源勘测管理中心，天津300061）

近年来，地源热泵技术飞速发展。为及时准确地掌握地源热泵的灌采平衡情况，天津市水文水资源勘测管理中心建设了地源热泵遥测监控系统。介绍了天津市地源热泵遥测监控系统的构成，对系统工作原理进行了剖析，并对目前该系统应用情况进行了详细描述，最后对系统的优势进行了总结。

天津；地源热泵；遥测监控；研究应用

随着天津市工业、经济的飞速发展，能源需求越来越高，节能减排技术的应用越来越迫切。国家强调可持续发展，大力发展低碳经济[1]。地源热泵技术节能作用明显，有巨大的发展前景。但由于研究和应用的时间比较短，此项新技术对水环境的影响还有待进一步认识，需要长时间积累大量的数据，进行分析和评估[2]。为了及时准确地提供地源热泵采水、回灌和排水的动态信息，促进地下水资源的合理开发和有效保护，天津市水文水资源勘测管理中心建设了地源热泵遥测监控系统，以便更加全面地了解地源热泵的运行状况，加强地源热泵运行资料的收集和调查研究，深化水资源分析论证力度，为城市经济发展和地下水开发、利用和保护工作作出贡献。

1 地源热泵遥测监控系统简介

系统主要以天津市水文水资源勘测管理中心管理的地源热泵机井组为基础，以实现对地源热泵机井信息进行现代化管理和自动化数据采集为建设目标，对地源热泵机井水量运行状态进行实时监测、数据采集、存储和处理为重点，采用遥测技术、数据采集技术、计算机技术，紧密结合地源热泵机井管理需求，实现地源热泵机井运行信息采集自动化、处理标准化、分析科学化、管理规范化，为掌握和了解地源热泵机井运行状况提供科学依据。

系统由中心站、现场数据通信终端（RTU）、超声波水表及公共电信网组成，并具有完善的水量处理分析软件（值守子系统和水量监测系统）。其中，水表负责采集数据，将采集到的数据以脉冲信号的方式发送给RTU终端，RTU终端通过移动网络每天以短信的形式定时向中心站上报。中心站的值守子系统负责解析短信报文，为水量监测系统统计分析做数据准备。这种工作模式适用于地下水水量监测，亦可应用于一般的企业用水量遥测。

2 地源热泵遥测监控系统监测原理分析

地源热泵遥测监控系统采用分布式架构，利用公共电信网通信技术（移动GSM短消息传输）进行数据传输，使中心站与现场站之间建立方便、安全、可靠的数据通信。水表安装在取、回、排管道上，通过超声波束计算水量。水量一方面显示在水表计数器上，一方面以脉冲方式传送至遥测终端记录。遥测终端即时记录、累计水量、水温、流量，并按照中心站指示传输水量数据。中心站的值守子系统对数据校核并存入电脑数据库，水量监测系统按照热泵组进行取水、回灌、排水和回灌率等计算处理，完成地下水灌采平衡分析。系统结构，如图1所示。

图1 地源热泵监控系统结构

2.1 数据采集

数据采用超声波水表采集。该水表是通过检测超声波声束在水中顺流逆流传播时因速度发生变化产生时差，分析处理得出水的流速，从而进一步计算出水流量的一种新式水表。流量测量采用时间差法，即超声波脉冲在流体中顺流传播时间T1和逆流传播时间T2的差值来测量流体流速，从而计算出管道内流体的流量。基本计量原理，如图2所示。

从图2可以看到，有2个换能器，即顺流换能器和逆流换能器，分别安装在流体管段的两侧并相距一段距离L，超声波传播的距离为L，超声波顺流传播的时间为T1，超声波逆流传播的时间为T2，超声波传播的方向和水流方向成角度θ。由于水的流动，超声波顺流传播L距离的时间比逆流传播L距离时间要短，假设水流速为V，超声波逆流和顺流传播的时间差为：

图2 水表计量原理

式中：T1为超声波顺流传播的时间（s）；T2为超声波逆流传播的时间（s）；C为超声波在水中的传播速度（m/s）；V为水流速（m/s）；θ为超声波传播方向和水流方向所成的角度（°）；L为超声波传播的距离（m）。

为了简化计算，假设流体的速度相对于声波在流体中的传播速度是个小量，即V＜＜C，那么可将上式简化为：

式中：各变量含义同上。

从而，得到水的流速和超声波在水中传播时间的线性公式为：

需要说明的是，V是流体沿着管道中心传播的速度，考虑到流体的流速沿管道直径不均匀分布的情况，还要加一个流速分部修正系数K，那么瞬时流量q的计算公式为：

式中：q为瞬时流量（m3/h）；K为国际修正系数；D为管内径（m）；其余变量含义同上。

经计算得出的数值显示在水表的显示屏上，同时通过RS-485通信接口传送给遥测终端记录，用于后期数据统计分析。

2.2 数据传输

在数据传输方面，采用水文遥测终端（Remote Terminal Unit，简称RTU）。水文遥测终端具有功能全、体积小、功耗低、维护简单等特点，支持多种通信接口。水表和RTU之间通过RS-485通信接口进行数据的传输。RS-485的数据最高传输速率为10 Mbps，具有抗干扰性好、通信距离远等特点，保证数据信号在水表和RTU之间直接稳定传输而不丢失。通信协议采用CJ-T188-2004通信协议，符合国家设计标准。RTU接收到水表值之后，将数据存储在4MFLASH存储器中，自动保存3 d，防止数据丢失。RTU会将3 d的数据加密形成报文，并通过移动SMS网络以短信的方式发送给中心站。

2.3 数据解析与展示

中心站跟遥测终端之间进行数据交互。中心站由短信猫、服务器、值守子系统、水量监测系统组成。值守子系统和水量监测系统在基于运行环境Windows Server2012操作系统的服务器上运行。值守子系统使用.net语言开发，采用SQLServer2008 R2数据库开发的C/S（客户端/服务器）程序，长期运行在服务器中，通过短信猫接收RTU发送过来的报文，对报文进行解析、格式验证、拆分、数据入库、记录日志等处理，为后期统计提供数据支持。水量监测系统使用Java语言和MySQL数据库开发的B/S（浏览器/服务器）程序，采用MVC设计模式。其数据通过Quartz定时任务，从值守子系统的数据库中同步过来。其主要功能是辅助相关人员对水量数据、水表电压进行分析汇总。通过系统，操作人员可以查询热泵站基本信息、水量信息、水表电压情况、报警信息等。

3 地源热泵遥测监控系统的应用

地源热泵遥测监控系统于2016年6月正式投入使用，中心站设立在天津市水文水资源勘测管理中心，目前共监测市属40家热泵单位计173块水表。水量站的远传设备每日8时定时向中心站上报当天的水表值、流量、电压等数据。水量监测系统则对传输过来的各项数据进行分析、汇总，以图表的形式予以展现，并对发现的问题及时进行提示、预警。

具体应用分为以下3个部分。

3.1 对热泵单位灌采平衡情况进行监测

水量监测软件对每天定时上报的数据进行统计分析，计算热泵单位近100 d的灌采情况。一旦发现回灌率小于95%、排水率大于5%的情况，软件即会在首页进行预警提示，以便及时安排技术人员到现场进行检查，分情况采取有效措施，确保灌采平衡，以保证热泵机井的正常运行。

3.2 对设备运转情况进行监测

为了保证水表和远程设备的正常运转，水量监测软件每天对水表电压、远程设备（RTU）电压进行分析。当水表电压小于2 V、远程设备电压小于12 V时，即安排技术人员对设备的蓄电池及时进行更换，保证数据的正常上传。监测软件对每天上报的数据情况也会进行记录，一旦连续3 d未上报，就会予以报警提示，以便及时采取措施。

3.3 对热泵单位灌采平衡情况和水表水量进行汇总统计

水量监测软件具有强大的数据统计功能，包括热泵单位灌采平衡情况统计和水表水量统计。在热泵单位灌采平衡情况统计中，默认统计用水单位100 d的用水情况，计算得出回灌率、排水率。也可指定时间，统计该时间段内的取用水情况，并自动与历史同期进行对比，判断用水规律。水表水量统计则根据当天上报的水表值核减前一天同一时间的水表值，计算出用水量。以上数据均以统计表形式展现，并可打印生成报表，随时为领导决策提供可靠的数据参考。

4 地源热泵遥测监控系统的优势

4.1 数据准确

针对机械水表在小水流的情况下统计不准确、抄表方式仅能依赖人工现场查看的弊端，本监测系统采用超声波水表，始动流速低、量程比宽、测量精度高、工作稳定，内部无活动部件，无阻流元件，不受水中杂质的影响，具有优良的小流量监测能力，确保水量数据的准确性。

4.2 传输稳定

相较采用人工手动抄表方式记录水表值且不能做到每天定时上传的缺陷，本系统在数据传输上采用移动SMS网络，以短信的方式每天定时上报，节省了大量时间和人力成本，提高了工作效率。这种工作方式传输稳定，达到每天统计的目的，为地源热泵的长久监测提供了完整的数据支持。

4.3 统计强大

较之回灌率、排水率需要人力手动计算且无法做到历史同期数据对比的问题，本系统由中心站的监测系统负责计算水量、回灌率、排水率等信息，并以饼图、折线图、表格的方式展示。管理人员每天只需登陆系统即可实时查询每个单位的热泵运行情况，随时监测其灌采情况，以便出现问题及时采取措施解决。

总之，地源热泵遥测监控系统通过对机组灌、采、排水量的采集和分析，可以及时发现跑冒滴漏的发生，及时督促用水户维护维修，达到节约用水的目的。管理人员也比较容易发现私自用水的现象，杜绝管理漏洞。特别是灌采平衡的分析，对地源热泵的运行和管理提供了及时准确的基础数据支持。系统的建成，为管理好地源热泵的运行提供了翔实、具体的科学依据，促进了地下水的合理有效利用，进而促进地源热泵这一节能技术的推广应用；同时，可以严格控制地下水开采量，避免地面沉降等现象的发生。

[1]王华军，齐承英，赵冰，等.地源热泵数据监测系统技术评价与应用分析[J].暖通空调，2012（8）：68-71.

[2]张晓力，廉小亲.地源热泵远程监测系统及数据处理与分析[J].可再生能源，2010（3）：126-129.

Research and Application of the Remote Sensing and Monitoring System of Ground Source Heat Pump in Tianjin

XUE Zeng-xiao，ZHAO Li-li
（The Survey and Management Center of Hydrology and Water Resources in Tianjin，Tianjin 300061，China）

In recent years，the technology of ground source heat pump has developed very rapidly，which facilitates a thorough understanding of the balance situation of ground source heat pump.The Survey and Management Center of Hydrology and Water Resource in Tianjin City has constructed the remote sensing and monitoring system of ground source heat pump. This paper first introduces the simple constitution of the remote sensing and monitoring system of ground source heat pump in Tianjin city.Secondly，it analyzes the working principle of this system and then gives a detailed description of the application situation of the system.Finally it draws a conclusion about the strengths of this system.

Tianjin；ground source heat pump；remote sensing and monitoring；research and application

P641.8；TP277.2

B

1004-7328（2017）02-0067-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.021

2016—11—12

薛增骁（1992—），男，助理工程师，主要从事水文水资源管理工作。